17745

17745

مدل سازي ديناميكي و كنترل ربات كابلي شش درجه آزادي فضايي نامقيد الاستيك با پايه متحرك

دكتري

طراحي كاربردي

فروردين ماه 1396

دكتر محرم حبيب نژاد كورايم

مكانيك

اين رساله به ادغام دو سيستم ربات پايه متحرك چرخدار و ربات كابلي شش درجه آزادي نامقيد مي پردازد. در اين راستا ابتدا معادلات سينماتيكي و ديناميكي ربات كابلي پايه متحرك چرخدار استخراج مي شود. در معادلات حركت سيستم، اثر برهمكنش ديناميكي دو بخش كابلي و پايه متحرك بر يكديگر مشهود مي باشد. با در نظر گرفتن قيود غير هولونوميك در معادلات مربوط به پايه متحرك چرخدار، معادلات سيستم داراي ديناميك داخلي بوده و سيستم حلقه بسته قابل خطي سازي فيدبك ورودي- خروجي مي باشد. همچنين براي شرايطي كه مسير مطلوب پايه مشخص نباشد، با استفاده از روش طراحي مسير ارائه شده و با توجه به مسير مطلوب عملگر نهايي، مسير مطلوب پايه توليد مي شود. در اين تحقيق چند روش مختلف كنترل سيستم هاي انعطاف پذير از لحاظ محاسباتي و فيدبك هاي مورد نياز با يكديگر مقايسه مي شوند. با استفاده از كنترلر مبتني بر مدل صلب، تكنيك اغتشاشات منفرد و معيار پايداري لياپانوف شرايطي كه تضمين كننده پايداري سيستم باشد مشخص مي شود. براي كاهش ارتعاشات عملگر نهايي، استفاده از روش شكل دهي ورودي جهت جلوگيري از تحريك مودهاي طبيعي سيستم مطرح مي گردد. كارايي كنترلر طراحي شده بر پايه مدل صلب به همراه شكل دهنده ورودي در مقايسه با كنترلر تركيبي كه از فيدبك وضعيت عملگر نهايي علاوه بر فيدبك عملگرهاي سيستم بهره مي برد، با تعريف يك شاخص كاهش ارتعاشات و به كمك شبيه سازي نشان داده مي شود. همچنين روابط مدل انعطاف پذير ربات كابلي با پايه هاي متحرك بدست آمده و شرايط پايداري سيستم براي آن مورد بررسي قرار مي گيرد. جهت كنترل سيستم، بهره هاي بهينه بر اساس مصالحه ميان ورودي كنترلي و نيز خطاي سيستم تعيين مي شوند. براي اجتناب از برخورد پايه متحرك به مانع، الگوريتم اصلاح اين بهره ها با استفاده از روش ميدان پتانسيل مطرح مي شود. براي صحه گذاري نتايج شبيه سازي، ساخت ربات كابلي شش درجه آزادي نامقيد با پايه متحرك چرخدار انجام مي شود. تبادل اطلاعات ميان كامپيوتر با سنسورها و درايورها با استفاده از تعدادي ميكروكنترلر صورت مي گيرد. ارزيابي كارايي كنترلر ربات كابلي پايه متحرك با مقايسه نتايج شبيه سازي يك رديابي مسير با نتايج تجربي انجام مي شود. جهت صحه سنجي روش كاهش ارتعاشات با استفاده از شكل دهنده ورودي، داده هاي حاصل از سنسورهاي شتاب و سرعت زاويه اي در حوزه زمان و فركانس بررسي مي شوند. همچنين تأثير نسبي سفتي كابل و موقعيت عملگر نهايي در فضاي كاري بر رفتار ارتعاشي سيستم مشخص مي شود. اين بررسي با تحليل حساسيت معيارهاي فركانس طبيعي، انرژي جنبشي باقي مانده و خطاي نقطه تنظيم عملگر نهايي به روش سوبل انجام مي گيرد. واژه‌هاي كليدي: ربات كابلي انعطاف پذير، ربات چرخدار، كنترل خطي سازي فيدبك، شكل دهي ورودي، تحليل حساسيت

1396/06/13

1/1/1900 12:00:00 AM

This thesis presents the subject of combining two robotic systems, a wheeled mobile robot and an under-constrained 6DOF cable robot. In this regard, at the first step, the kinematic and dynamic equations of the cable robot with wheeled platform are derived. The dynamic interaction between the two robotic parts, i.e. the cable robot and the wheeled mobile robot, is observable in the governing equations of the system. Considering non-holonomic constraints in the equations of the wheeled platform, the internal dynamics appears in the equations. It is shown that the closed loop equations are input–output feedback linearizable. In situations where the platform trajectory is not given, the desired platform trajectory is designed using the proposed path planning method and the desired end-effector trajectory. This research compares a number of control methods of the flexible systems in terms of computation load and required sensors. Using a rigid-model based controller, singular perturbation technique and Lyapunov stability criterion, the condition which guarantees the system stability is spcified. In order to suppress the end-effector vibration, utilizing the Input Shaping method to prevent excitement of the system natural modes is presented. The performance of the rigid controller with the shaped input compared with the composite controller, which uses the end-effector pose feedback in addition to the actuators feedback, is shown by simulation. This eva​luation is performed using a new defined index, indicating the vibration reduction ratio. Furthermore, the governing equations of the flexible cable robot with wheeled mobile platform are obtained and the stability condition of this system is investigated. For the system control, the optimized gains are determined based on the trade-off between the control input and the system error. For the obstacle avoidance task of the wheeled platform, the correction algorithm of the control gains using the potential field method is presented. Manufacturing an under-constrained 6-DOF cable-driven parallel robot with wheeled mobile platform is accomplished for validating the simulation results. Communication of the computer with the sensors and the drivers is performed using a number of micro-controllers. In order to eva​luate the effectiveness of the control approach for the wheeled mobile cable robot, the simulation results of a trajectory tracking are compared with experimental test. For validating the vibration reduction approach using the input shaping method, the accelerometer and gyro sensor data are investigated in the time and frequency domains. In addition, the relative effect of the cable stiffness and the end-effector position in the workspace on the system vibration characteristics is specified. This investigation is carried out by sensitivity analysis of the criteria of the system natural frequency, residual kinetic energy and the end-effector position error, using Sobol method. Keywords: Flexible Cable Robot, Wheeled Mobile Robot, Feedback Linearization, Input Shaping, Sensitivity Analysis